LPT

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung

Die Funktion des Lasers beruht auf der stimulierten Emission von Photonen.

1) Absorption

Durch Energiezufuhr (z.B. mit Licht) steigt ein Elektron von einem niedrigen Energieniveau auf ein höheres Energieniveau (=es nimmt einen angeregten Zustand ein).

2) Emission

Der Zustand der erhöhten Energie eines Elektrons ist nicht stabil, sodass das Elektron irgendwann wieder auf das Ursprungsniveau fällt.

Aufgrund der Energieerhaltung wird die Energiedifferenz wieder freigesetzt (z.B. in Form von Strahlung)

Spontane Emission:

Die Verweildauer des angeregten Elektrons auf einem höheren Niveau lässt sich nicht exakt vorhersagen, sondern wird durch die Angabe von Wahrscheinlichkeit charakterisiert.

Stimulierte Emission:

Man kann den angeregten Zustand eines Elektrons aufheben, indem das angeregte Elektron durch ein Photon getroffen wird.

Wenn ein Elektron von einem Photon getroffen wird, fällt es in den Grundzustand zurück.

Durch die Energieerhaltung wird allerdings die Energiedifferenz freigesetzt und diese Energiedifferenz ist ein weiteres Photon, das eine perfekte Kopie der ersten Welle darstellt.

Zur Erzeugung eines Laserstrahls benötigt man ein laseraktives Medium, in dem unterschiedliche Energieniveaus existieren.

1. Dem laseraktiven Medium wird Energie in Form von Photonen zugeführt, damit die Elektronen auf ein höheres Energieniveau gelangen

   -> Befinden sich mehr Elektronen im höheren Energieniveau, als im niedrigeren, spricht man von einer Besetzungsinversion

2. Da dieser Zustand nicht stabil ist, wird ständig Energie hinzugeführt => Pumpen

3. Ist das Besetzungsverhältnis eines laseraktiven Mediums invertiert (Voraussetzung!), fallen immer wieder Elektronen spontan auf das Grundniveau ab und geben dabei Photonen in eine zufällige Raumrichtung ab

4. Durch Installation von zwei parallelen Spiegeln (=Resonatoren) an den jeweiligen Enden des Lasermedium, werden jene Photonen reflektiert, die sich parallel zur Hauptachse des Lasers bewegen

5. Die reflektierten Photonen gelangen wieder zurück ins Lasermedium und lösen Emissionen weiterer Photonen aus -> das führt zu einem Lawineneffekt!

• laseraktives Medium

• Resonator

• Pumpenergiequelle

• Energiesenke (Kühlung)

• Laserstrahlung ist monochrom

  -> das heißt sie besteht im Idealfall nur aus Photonen einer Wellenlänge, da die Wellen durch die freigesetzten Energiedifferenzen entsteht, die ja fest/konstant ist

• Laserlicht ist zeitlich und räumlich kohärent

  -> d.h. in Phase mit sich selbst - die Wellen sehen gleich aus und Wellenhügel/Wellentäler bzw. Maxima und Minima laufen übereinander

• Gaslaser (z.B. CO2)

• Festkörperlaser (z.B. Nd:YAG)

• Halbleiterlaser (Diodenlaser)

• Farbstofflaser

1. Beim CO2-Laser besteht der angeregte Zustand z.B. in einem besonderen Schwingungsmodus der Moleküle

2. Laser wird auch gepumpt (wie Festkörperlaser), aber nicht optisch (z.B. durch Blitzlicht) sondern durch Gasentladung mit Hilfe einer anliegenden Hochfrequenzspannung

Diodenlaser geben ihre Strahlung bei der Rekombination von Elektronen und Löchern im Leitungs- bzw. Valenzband des Halbleiters ab und werden direkt elektronisch gepumpt.

Im Praktikumsversuch wird eine Laserdiode der Wellenlänge 808.4nm verwendet, um einen Nd:YAG Laser optisch zu pumpen.

Diese Konfiguration bezeichnet man als diodengepumpten Festkörperlaser.

Der Nd:YAG Laser emittiert bei einer Wellenlänge von 1064nm.

Die meisten Laser emittieren nicht im sichtbaren Spektralbereich (ca. 380nm - 780nm), sondern arbeiten im ultravioletten oder nahem infrarot Bereich

Im Regelfall ist die Intensitätsverteilung normalverteilt. Das heißt in der Strahlmitte ist die Intensität am höchsten und nimmt radialsymmetrisch zu den Seiten in Form eines Gaußprofils ab.

• Halbwertsbreite (Full Width Half Maximum - FWHM)

  -> Der Strahldurchmesser entspricht zweimal dem Abstand von der Strahlmitte bei dem sich die Intensität halbiert hat

• Festlegung bei 1/e^2 Io

  Der Strahlradius wird bei 1/e^2 Io festgelegt - also dem Abstand, bei dem die Intensität nur noch 13,5% des Maximalwertes beträgt

Die Umrechnung der beiden Größen bei perfektem Gaußprofil (TEM00-Mode) erfolgt durch:

Licht lässt sich als transversal elektromagnetische (TEM) Welle beschreiben.

Licht besteht aus einem elektrischen Feld und magnetischen Feld, deren Schwingungsebenen senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen.

-> Die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes definiert dabei die Polarisation.

• lineare Polarisation

  -> elektrisches Feld schwingt konstant in derselben Ebene

• elliptische Polarisation

• zirkulare Polarisation

1. Eine Laserdiode ist ein Halbleiterelement, das sich aus einer p- und n-dotierten Schicht zusammensetzt

2. An der Grenzfläche baut sich eine Potentialbarriere auf

3. In Durchlassrichtung wird durch das angelegte Feld die Potentialbarriere abgebaut und es erfolgt Ladungstransport

4. In der aktiven Zone rekombinieren Elektronen und Löcher unter Aussendung von Licht

5. Damit stimulierte Emission einsetzt, muss die Rekombination der Elektronen-Loch-Paare langsamer erfolgen, als der Ladungsträgernachschub durch das angelegte Feld -> das geschieht ab einem bestimmten Schwellstrom Ith

Durch die Frequenzverdopplung werden zwei Photonen zu einem Photon mit halber Wellenlänge, aber doppelter Energie/ Frequenz.

z.B. können somit zwei infrarot Photonen (1064nm) zu einem grünen Photon (532nm) umgewandelt werden

1. Das elektrische Feld des einfallenden Lichts übt eine Kraft auf die elastisch gebundenen Elektronen im Material aus

2. Die Elektronen beginnen daraufhin um den viel schwereren Atomkern zu schwingen

3. Die Frequenz stimmt dabei mit der anregenden Lichtfrequenz überein und aufsummiert ergeben diese einzelnen atomaren Dipolmomente das Polarisationsfeld im Material

4. Die Polarisation im Material ist wiederum Ausgangspunkt einer elektrischen Feldstärke, die sich mit dem einfallenden Feld überlagert

5. Wird die Anregung größer, setzt sich die Polarisation nicht mehr nur aus der anregenden Frequenz, sondern auch aus einem Gleichanteil und einem Anteil der doppelten Frequenz zusammen

Damit die Rekombination zweier Photonen effizient geschieht, muss die Bedingung des Phasenabgleich (phase matching) erfüllt sein

Die unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten zwischen Grundfrequenz und der zweiten harmonischen Frequenz verhindern die effektive Erzeugung von frequenzverdoppeltem Licht, da destruktive Interferenz auftritt.

Um zu verhinden, dass destruktive Interferenz auftritt, kann man die Phase mit Hilfe eines doppelbrechenden Kristalls angleichen.

Wenn man den Winkel relativ zur optischen Achse geschickt anpasst, kann man den Brechungsindex so einstellen, dass die Phasengeschwindigkeit für die ursprüngliche und frequenzverdoppelte Welle identisch sind.

Im Resonator wird die generierte Laserstrahlung zwischen den beiden Spiegeln hin- und hergeschickt.

Bei den Umlaufzyklen (Hin- & Her-Weg des Lichtstrahls zur Verstärkung) stellen sich Eigenmoden (Verteilung der Intensität im Querschnitt), sogenannte transversale elektromagnetische Moden (TEM) ein.

Die fundermentale Mode ist die Gaußmode (TEM00). Sie zeichnet sich durch den kleinsten Strahldurchmesser und Fokus aus.

Jedoch sind auch höhere Moden möglich, die durch die größere Fläche mehr optische Leistung transportieren können. (Diese Moden besitzen Knotenpunkte, die durch die Indizes l (x-Richtung) und m (y-Richtung) charakterisiert werden)

Durch Verkippen der Spiegel im Resonator lassen sich diese Moden erzeugen.

1. Vorbereitung

2. Aufbau und Ausrichtung des Lasers

3. Bestimmung der Diodenkennlinie

4. Inbetriebnahme des Nd:YAG-Lasers

5. Maximierung der Ausgangsleistung und Gauß-Mode

6. Frequenzverdopplung und Laser-Moden

Die Temperatur der Laserdiode wird an der Vorderseite der Stromversorgung auf 35°C und der Diodenstrom auf 562mA eingestellt.

• Kollimatorlinse (4) wird im Abstand von ca. 1-2mm von der Laserdiode befestigt

• Durch Bewegung der Kollimatorlinse wird der Laserstrahl in Form gebracht

• Ziel ist es, einen parallelen Strahlenverlauf des Pumplaserstrahls sicherzustellen

Wir bestimmen die Kennlinie der Laserdiode durch schrittweise Erhöhung des Stroms in 25mA Schritten im Intervall 0 bis 550mA.

• Laserstrahl der Diode soll so fokussiert werden, dass er später effektiv in den Nd:YAG Kristall eingekoppelt werden kann

• Einstellung des Diodenstroms auf 562mA

• Halter (5) der bikonvexen Linse im Abstand von ca. 1cm von der Kollimatorlinse

• Aufstellen des Nd:YAG-Kristalls samt Halter (6)

• Befestigen von teildurchlässigen Spiegel mithilfe eines kippbaren Halters (7) (Bildet Ende des Resonators)

• Platzieren der RG1000 Filterplatte im Filterhalter (8)

  -> Unterdrückt Wellenlängen unterhalb von 1000nm

• Platzieren des Spiegels (9) 6cm weg vom Nd:YAG-Kristall-Halter

Durch Abstimmung der einzelnen Komponenten zueinander soll nun die Ausgangsleistung maximiert werden

-> Hierfür können angepasst werden:

• Position der Resonatorspiegel bzw. des Nd:YAG-Kristalls auf der Schine

• Ausrichtung der Resonatorspiegel zueinander

=> Ziel: Resonator dahingehend verändern, dass die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Laserstrahls gausförmig (TEM00) ist

• Erzeugung frequenzverdoppelter Laserstrahlung von 1064nm auf 532nm

• Ersetzen des RG1000-Filters durch den BG39-Filter.

  -> Dieser unterdrückt den infraroten Strahlungsbereich

• Herstellen der maximalen Lichtintensität durch Anpassung der Resonatorspiegel und dann der Einstellschrauben “B” und “C” des KTP-Kristalls

Neodymiak Laser

YAG = Yittrium, Aluminium, Granat